高能质子探测器数据传输系统设计

常远 沈国红 荆涛

摘  要： 高能質子探测器是重要的星载空间环境探测类仪器，在其研制测试等过程中，数据传输系统设计非常重要，因为数据传输系统需要对大量探测数据进行处理。为了高效、准确地处理这些探测数据，设计基于FPGA与LabVIEW的数据传输系统。硬件采用Xilinx公司Spartan?6系列XC6SLX9和Silicon Labs CP2102GM，上位机采用LabVIEW开发。经过测试表明，该传输系统稳定高效，达到使用要求。

关键词： 数据传输; 高能质子探测器; 数据采集; 数据处理; 系统设计; 程序设计

中图分类号： TN919?34; TP301.6                     文献标识码： A                  文章编号： 1004?373X（2019）20?0005?04

Design of data transmission system for high energy proton detector

CHANG Yuan1， 2， 3， 4， SHEN Guohong1， 3， 4， JING Tao1， 3， 4

（1. National Space Science Center， Chinese Academy of Science， Beijing 100190， China;

2. University of Chinese Academy of Science， Beijing 100049， China;

3. Beijing Key Laboratory of Space?based Space Environment Exploration， Beijing 100190， China;

4. Key Laboratory of Space Environment Situation Awareness Technology， Chinese Academy of Science， Beijing 101499， China）

Abstract： High energy proton detector is an important satellite?borne space environment detection instrument. In the courses of development and testing， the design of data transmission system for high energy proton detector is very important and a large amount of detected data needs to be processed by using this system. A data transmission system based on FPGA and LabVIWE is designed to process the data efficiently and accurately. The XC6SLX9 of Spartan?6 series made by Xilinx company and Silicon Labs CP2102GM are adopted in the hardware of the system， and the host computer program is developed with LabVIEW.  The test for the system was carried out. The results show that the data transmission system is stable and efficient， and can meet the requirements of application.

Keywords： data transmission; high energy proton detector; data acquisition; data processing; system design; program design

0  引  言

星载空间高能粒子探测器的主要探测对象是卫星运行轨道的高能带电粒子，主要为地球辐射带（又称范艾伦带）的粒子[1]。地球辐射带是由空间中高能带电粒子组成的辐射层，被分为内辐射带和外辐射带，粒子成分主要包括质子、电子[2]。高能粒子探测器的探测内容为质子、电子的能谱及通量。通过测量空间带电粒子的能谱和通量，可以得到粒子的空间分布，进而做进一步研究。高能粒子探测器提供大量数据的累积研究粒子的时间、空间分布和高能粒子的运动规律[3]，为我国空间环境保障监测和体系提供探测数据，同时为卫星飞控管理和异常情况分析提供分析数据。本文采用Spartan?6系列和Silicon Labs CP2102GM，上位机采用LabVIWE开发，设计针对高能质子探测器的数据传输系统。

1  高能质子探测器结构设计

高能质子探头采用多片硅半导体传感器组成的望远镜形式对高能质子进行测量[4]。通过质子在硅传感器中的能量沉积，配合逻辑工作方式对质子的能谱进行划分[5]。探测器结构如图1所示。

图1  高能质子探测器

为了降低电子对质子测量的影响，质子探头的前端增加了偏转磁铁。准直仪系统包括了最外层的支撑和屏蔽结构，反散射结构和挡光层。外层支撑和屏蔽结构可以降低从侧面斜入射粒子对测量结果的影响。反散射结构降低了电子在材料中的弹性散射效应。为了消除空间中高能电子对质子探头的干扰和辐照影响，在准直仪加入了永久磁铁对电子进行偏转。使中心磁场达到4 200 Gs，可以有效去除小于1 MeV的电子影响。

传感器系统中使用1片500 μm和6片1 mm的离子注入型硅半导体传感器，粒子在半导体传感器内沉积能量，转化为脉冲电荷信号，信号由后续电子学线路进行信号放大、处理和分析;同时，结合其逻辑工作方式和幅度分析法，从而可以测量粒子的能谱和通量。

2  电子学系统设计

高能质子探测器电子学系统的原理如图2所示。电子学线路主要包括前置放大电路、高压电路、A/D采集电路、FPGA处理电路、存储器及总线接口电路。前置放大电路主要用于完成对传感器输出电荷脉冲信号的电荷灵敏放大、成形及主放大等功能，确保输出信号能够满足后续A/D采集电路的要求。模拟开关及A/D采集电路主要实现对放大后的信号进行多路选通和采样。FPGA电路按照设定的逻辑处理方式实现对采样数据的分析处理，并存储打包，通过RS 422总线与卫星实现数据下传。

3  数据采集系统设计

数据采集以及对探测器进行参数配置主要依赖于FPGA，本文选择串口Uart与PC机进行数据通信。

3.1  Uart的通信协议和传输时序

Uart需要先将收到的并行数据转换成串行数据来传输[6]。消息帧以一个起始位开始，后面跟7～8个数据位，一个奇偶校验位，最后为一个或几个高位停止位[7]。接收器从接收到起始位开始准备发送数据。接收数据过程中，UART从消息帧中去掉起始位和结束位，如果添加了奇偶校验位再进行奇偶校验，并将数据从串行转成并行。图3展示了UART传输时序。

图2  电子学系统原理图 

图3  UART传输时序

3.2  硬件设计

硬件电路主要由FPGA和Silicon Labs CP2102GM芯片组成。对于FPGA，本文选择的是Xilinx公司Spartan?6系列XC6SLX9。Spartan?6系列采用成熟的45 nm低功耗铜制程技术制造，实现了性价比与功耗的完美平衡，功耗仅为上一Spartan系列的50%。时钟管理模块（CMT）可以对时钟低噪声、高灵活度的时钟控制。频率综合实现倍频、分频和调相。

CP2102GM芯片是USB和UART电平转换的桥梁。CP2102包括USB 2.0全速功能控制器、USB收发器、振荡器、E2PROM和异步串行数据总线（UART）[8]。封装在一个紧凑的5 mm×5 mm QFN?28封装中。Silicon实验室提供基于CP2102的虛拟COM端口（VCP）设备驱动程序。USB转串口原理图如图4所示。

3.3  FPGA设计

FPGA程序由主程序和4个子程序构成，4个子程序分别为串口发送程序、串口接收程序、时钟产生程序和串口发送控制程序。程序流程图如图5所示。

UART是异步传输，没有传输同步时钟，所以采用16倍数据波特率的时钟进行采样[9]。每个数据有16个时钟采样，取中间的采样值，以保证采样不会滑码或误码。一般UART一帧的数据位为8，这样保证了如果每个数据有一个时钟的误差，接收端采样到的数据仍然是正确的。所以在时钟产生程序时，把产生的时钟设置为波特率[10]的16倍。

图4  USB转串口

图5  FPGA程序框图

3.4  LabVIEW程序设计

上位机界面程序在此选择LabVIEW的编程环境。LabVIEW不只是一种编程语言，还是一种为科学家和工程师等设计的开发环境和运行系统，具有图形化、跨平台、易掌握等优点。

3.4.1  LabVIEW与串口通信

LabVIEW与串口进行通信前还需要安装官方提供的虚拟仪器软件规范（Virtual Instrument Software Architecture，VISA）库，安装VISA库后可以使用函数?仪器I/O?串口内的各个节点，包括VISA配置串口、VISA写入、VISA读取、VISA关闭等[11]。这也是实现串口通信必用的几个节点。一些情况下，还可以使用VISA清空I/O缓冲区节点来清空缓冲区[12]。

3.4.2  程序设计

前面板主要包括串口设置和一些显示控件，如图6所示。本项目设置波特率为9 600 b/s，校验为奇校验。波形图表用来实时显示下位机传回的数据[13]。“接收缓存区”得到的是接收到的数据。96位配置信息流写在“配置数据”窗口，通过“写入配置”按钮发送数据，写入成功后，上位机会将写入的数据显示在“接收缓存区”窗口，保存数据按钮可以将数据保存为Excel格式，退出按钮可以退出此程序。

图6  程序运行图

4  结  语

经过测试，通过使用FPGA与LabVIEW编程构成的传输系统能够稳定、高效地传输高能质子探测器产生的数据。利用显示控件，可以直观地观察到数据的变化，保存数据与回放数据功能为数据大量传输以及重复分析提供了保障。

注：本文通讯作者为沈国红。

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